在烘焙蛋糕時，成品的效果有時總是達不到預期。一部分的原因是烘焙過程中發生的傳熱和傳質現象影響了最終的結果。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以研究并預測上述機制的工作原理，并利用獲取的知識烘焙出更加美味的蛋糕。
烘焙蛋糕藝術中的科學
烘焙的目的不僅是要對蛋糕等食物進行加熱，還要促進配方原料之間的生物化學反應。干濕原料組合形成的混合物賦予了蛋糕相當的柔韌性，即使發生膨脹，混合物仍然會粘連在一起。
在烤箱中烘焙的蛋糕面糊（左）和烘焙好的蛋糕（右）。
對于蛋糕烘焙工藝而言，保證每種原料適量加入很重要，不過烘焙過程中的傳熱和傳質現象也是一個關鍵性因素。這些基本機制對蛋糕的溫度、含水量以及膨脹程度產生了極大的影響，并進而影響烘焙物的整體質量和口感。
為了更清楚地理解和預測蛋糕烘焙過程中的傳熱和傳質現象，一個研究團隊使用 COMSOL Multiphysics 創建了一個數值模型，并執行了一系列模擬研究。下面，我們將一起“品味”他們的研究成果。
模擬蛋糕烘焙過程中傳熱和傳質現象
研究人員創建了一個用于分析研究的二維軸對稱模型。他們假設此模型是一個可變形性的多孔模型，且包含了氣液固三相：
固體（面糊）
液體（水）
氣體（蒸汽和二氧化碳組合）
為了研究這個問題，他們求解了由五個偏微分方程組耦合而成的系統。分析涉及下列五個變量：
溫度
含水量
總氣壓
孔隙率
位移
為了預測面糊的膨脹（由于總氣壓的增加）狀況，研究人員使用了粘彈性模型，此模型可在 COMSOL Multiphysics 的附加產品——“結構力學模塊”中獲取。
蛋糕烘焙過程中發生的物理現象。圖片來源于 R. Cutté、P. Le Bideau、P. Glouannec 以及 J.F. Le Page，摘自他們在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的展示作品。
為了驗證模型，研究人員進行了一系列實驗測試，實驗包括在烤箱中烘焙蛋糕 18 分鐘，同時將烤箱內膽的底殼溫度設定為 175oC，頂殼溫度設為 195oC。烤箱內安裝了儀器，以監測收集有關面糊的熱量、含水量以及邊界條件的信息。此外，他們使用了照相機來追蹤蛋糕的膨脹過程。
在仿真分析中，研究人員繪制了三個不同的時間段時蛋糕內的溫度和含水量:
初始狀態
烘焙中途
最終狀態
下圖顯示了三個階段的計算結果，以及蛋糕的膨脹過程。結果表明，蒸發冷凝現象使蛋糕心的含水量增加；另一方面，蛋糕殼的含水量逐漸降低。正如我們在其他烘焙過程中觀察到的，這種物理現象會推動形成很大的含水量梯度。這些梯度造成了孔隙率、熱屬性、含水量和力學性質的不均勻性，而加熱方式又進一步加劇了這種不均勻性。
不同時間間隔下，蛋糕內的溫度和含水量。圖片來源于 R. Cutté、P. Le Bideau、P. Glouannec 以及 J.F. Le Page，摘自他們在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的展示作品。
研究人員隨后對比了模擬結果和實驗數據，證實了二者在溫度、質量損失和整體變形方面是一致的。需要注意一點：考慮到所使用的模型，此示例忽略了膨脹和壓縮的影響。不過，研究人員下一階段計劃通過測試其他力學本構法則來改進模型。為了提高模型的精確性，他們還計劃在模型中加入含有三種物質（水、二氧化碳和空氣）的氣相；并考慮反應動力學的影響；以及預測蛋糕的焦黃度。
仿真結果和實驗數據顯示了蛋糕內的溫度（左圖）和含水量（右圖)。圖片來源于 R. Cutté、P. Le Bideau、P. Glouannec 以及 J.F. Le Page，摘自他們在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的展示作品。
左圖：關于蛋糕膨脹過程的仿真結果和實驗數據。右圖：最終的網格剖分變形結果與實際幾何形狀的對照圖。圖片來源于 R. Cutté、P. Le Bideau、P. Glouannec 以及 J.F. Le Page，摘自他們在 COMSOL 用戶年會 2016 慕尼黑站發表的展示作品。
利用仿真更好地理解蛋糕烘焙的物理機制
烘焙蛋糕不只是一門藝術；它是一門科學。借助 COMSOL Multiphysics，您可以創建一個簡單而逼真的模型來描述這一復雜過程，尤其是重點分析烘焙過程中的傳熱和傳質現象。模型的計算結果有助于更加準確全面地理解完整的蛋糕烘焙過程。
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